JP6861217B2 - Tribology system and internal combustion engine with it - Google Patents
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Description
本発明は、一般に及び詳しくは、それぞれが内燃エンジンのコンポーネント、詳しくはピストン、ピストンリング又はシリンダ、を形成する第1本体及び第2本体を備えたトライボロジーシステムに関し、当該コンポーネントの表面は第1材料エリア及び第2材料エリアを有し、それぞれは層として形成され、動作中に少なくともいくつかの領域において互いに接触してトライボロジー接触を形成する。 The present invention relates to a tribology system comprising a first body and a second body, each of which forms a component of an internal combustion engine, in particular a piston, piston ring or cylinder, in general and in particular, the surface of the component being a first material. It has an area and a second material area, each formed as a layer and in contact with each other in at least some areas during operation to form a tribological contact.
本開示は、当該層を生成するべく使用される層材料と、これらの層が対応エンジンコンポーネントに塗布される方法との双方に関する。また、対応してコーティングされたエンジンコンポーネントに関する。 The present disclosure relates to both the layer material used to produce the layer and the method by which these layers are applied to the corresponding engine component. It also relates to correspondingly coated engine components.
付加的に本開示は、詳しくは、トライボロジーパートナーがトライボロジーシステムにおいてコーティングされる層材料の組み合わせの選択に関する。 Additionally, the present disclosure specifically relates to the choice of combination of layer materials coated by a tribology partner in a tribology system.
用語「内燃エンジン」は、ここでは、ガソリン、ディーゼル又はガス燃料(CNG、LNG)のような化石燃料により動作可能なすべての内燃機関、詳しくは往復ピストンエンジン、を含むものとする。 The term "internal combustion engine" is used herein to include all internal combustion engines that can operate on fossil fuels such as gasoline, diesel or gas fuels (CNG, LNG), in particular reciprocating piston engines.
燃料の良好な利用、及びバイオ燃料のような添加剤の使用を目的として内燃エンジンにおける動作温度を高くすると、ガソリン、ディーゼル及びガス燃焼のエンジンにおける表面の熱的及び化学的安定性に課される要求が高くなる。こうした高い要求は、エンジンコンポーネントのためのコンパクト材料(バルク材料とも称する)の選択により、限られた程度で又は多大な費用でのみ満たすことができる。 Increasing the operating temperature in internal combustion engines for the purpose of good fuel utilization and the use of additives such as biofuels imposes surface thermal and chemical stability on gasoline, diesel and gas combustion engines. The demand is high. These high demands can only be met to a limited extent or at great cost by selecting compact materials (also referred to as bulk materials) for engine components.
用語「コンパクト材料」又は「バルク材料」とは、表面特性を改善するべくコーティングを受ける対象となる基材の材料を称する。当該材料は、コーティング対象となり得る材料、例えば鋼、Al、インコネル等、すなわち内燃エンジンのコンポーネントが生成される材料及びエンジニアリング材料、のすべてを含む。鋼の中でもとりわけ、例えば42CrMo4は、ピストンが作られる典型的な材料である。 The term "compact material" or "bulk material" refers to the material of the substrate to be coated to improve surface properties. The material includes all materials that can be coated, such as steel, Al, Inconel, etc., i.e. materials from which components of internal combustion engines are produced and engineering materials. Among the steels, for example 42CrMo4, is a typical material from which a piston is made.
コンパクト材料の特性をコスト効率よく改善する一つの方法は、例えば窒化、物理的気相成長法(PVD)、又は熱溶射法(HVOF又はプラズマ)を使用した粉末若しくはワイヤのスプレイコーティングによる表面処理である。これらのプロセスは、コンパクト材料としては生成することができない材料、又は多大な努力によってのみしか生成できないが、その修正がたとえ表面の相対的に薄いエリアのみに影響を与えるとしても、コンパクト材料表面の摩耗、摩擦及び腐食に劇的な影響を与え得る材料、を生成するべく使用することができる。 One way to cost-effectively improve the properties of compact materials is, for example, surface treatment with spray coating of powder or wire using nitriding, physical vapor deposition (PVD), or thermal spraying (HVOF or plasma). is there. These processes can only be produced with materials that cannot be produced as compact materials, or with great effort, but even if the modifications affect only the relatively thin areas of the surface of the compact material surface. It can be used to produce materials, which can have a dramatic effect on wear, friction and corrosion.
通常、内燃エンジンにおけるトライボロジーパートナーの表面は、異なる材料又は異なるコンパクト材料からなるが、これらは、所定の供用寿命を目的として最適化されて供用サイクル数が低減される。すなわち供用寿命が適合される。このような場合、材料又は層厚さが調整されるのが普通である。 Typically, the surface of a tribology partner in an internal combustion engine consists of different materials or different compact materials, which are optimized for a given service life to reduce the number of service cycles. That is, the service life is adapted. In such cases, the material or layer thickness is usually adjusted.
摩耗を低減したいとの願望に加え、摩擦損失を低減することも、内燃エンジンの開発におけるもう一つの目標である。この側面のもとでも、目標となる表面修正は、トライボロジーシステムにおいて重要な役割を果たす。複数表面の機械的特性及びその相互の適合に加え、表面材料はまた、油との濡れ性、並びに、添加剤及び表面の化学反応の、化学的に不安定にならないような所定の制御性、のような重要な機能を想定している。これらの事実はすべて、内燃エンジンのトライボロジーシステムが極めて複合的であり、複数の表面の選択及び調整には柔軟性が必要となることを示す。薄層はここで、コンパクト材料の場合よりも高度な柔軟性を与えてくれる。 In addition to the desire to reduce wear, reducing friction loss is another goal in the development of internal combustion engines. Even under this aspect, the targeted surface modification plays an important role in the tribology system. In addition to the mechanical properties of multiple surfaces and their mutual compatibility, the surface material also has a predetermined controllability of wettability with oils and chemical reactions of additives and surfaces so as not to be chemically unstable. It is supposed to have important functions such as. All of these facts indicate that the tribology system of an internal combustion engine is extremely complex and requires flexibility in the selection and adjustment of multiple surfaces. The thin layer here gives a higher degree of flexibility than the compact material.
特許文献1は、シリンダ内側のコーティング、すなわちシリンダランニング表面、を記載する。その層は、プラズマ溶射によって塗布される。ほとんどが鉄製の層はまた、FeO及びFe2O3を含み、その結合酸素の割合は1〜4重量%であり、Fe2O3の割合は0.2重量%未満である。プロセスガスに対して5〜50重量%の割合での酸化物セラミックス粉末の混合が、かなり良好な摩擦係数を達成するべく特に有利として推奨されている。TiO2、Al2O3−TiO2及びAl2O3−ZrO2が、酸化物セラミックス粉末として示される。
特許文献2は、往復ピストンエンジンのためのシリンダランニング表面層をクレームし、この層がプラズマ溶射法により塗布されている。この方法で生成された層は、結合酸素の含有量が0.5〜8重量%であり、埋め込まれたFeO及びFe2O3の結晶を含む。加えて、この層は、多孔度が0.5〜10%であり、所定の粗さまで磨かれる。この層の細孔は、潤滑剤用のリザーバとして作用するマイクロチャンバを形成し、トライボロジーシステムにおける油の均一な分散を促進する。
特許文献3は、表面窒化とPVDコーティングとの組み合わせからなるピストンリングの表面処理を記載する。ピストンリングのランニング表面からシリンダランニング表面まで、CrN層がコーティングされ、好ましくはイオンメッキにより堆積される。他の表面はすべてが窒化プロセスを受ける。非窒化ピストンリング表面上のPVD層の堆積は主に、コーティングにおけるクラックの防止を意図する。 Patent Document 3 describes a surface treatment of a piston ring composed of a combination of surface nitriding and PVD coating. From the running surface of the piston ring to the running surface of the cylinder, the CrN layer is coated and preferably deposited by ion plating. All other surfaces undergo a nitriding process. The deposition of PVD layers on the surface of non-nitriding piston rings is primarily intended to prevent cracks in the coating.
特許文献4は、鉄系材料から作られたコーティングピストンリングをクレームする。表面上には、Al5Fe2を包含して高硬度を有する耐摩耗層が堆積される。この文献はまた、この層の、52〜55重量%のAl及び45〜48重量%のFeからなる化学組成もクレームする。
特許文献5は、ピストン及びシリンダランニング表面からなるトライボロジーシステムを記載する。ピストンはまた、シリンダライナとトライボロジー接触するピストンリングのための凹部も有する。加えて、ピストンスカートは、その表面に、潤滑膜を改善するための溝構造が与えられるように設計される。ピストンリング及びピストンスカートはまた、摺動特性を改善するべくDLC層が、とりわけ様々な潤滑剤と併用されかつ同潤滑剤に適合されてコーティングされる。 Patent Document 5 describes a tribology system including a piston and a cylinder running surface. The piston also has a recess for a piston ring that makes tribological contact with the cylinder liner. In addition, the piston skirt is designed so that its surface is provided with a groove structure to improve the lubricating film. Piston rings and piston skirts are also coated with a DLC layer, especially in combination with and adapted to various lubricants, to improve sliding properties.
これらの例は、表面が、摩耗を低減して摩擦損失も低減するべくコーティングされる。様々なコーティング材料は、この目標を達成するべく使用することができる。これらの材料を基材表面に塗布するべく異なるプロセスが用いられる。さらに、最新技術によりはっきりとしたのは、それぞれの条件下でトライボロジー接触パートナーの有利な表面調整を達成するには、極めて異なる基材材料をコーティングする必要があるということである。 In these examples, the surface is coated to reduce wear and friction loss. Various coating materials can be used to achieve this goal. Different processes are used to apply these materials to the surface of the substrate. Furthermore, the state-of-the-art technology has made it clear that under each condition it is necessary to coat very different substrate materials to achieve favorable surface conditioning of the tribology contact partner.
いくつかの場合、コーティング対象コンポーネントの幾何学的形状もまた、コーティングプロセスを決定付ける。これは、例えば、シリンダボアをコーティングする必要がある場合に当てはまる。このコンポーネントの内側部分をこのようにコーティングするには、PVD法よりも溶射法の方が、はるかに適切である。100μmを上回り又は500μmをも上回る厚い層を堆積しなければならない場合であっても、そのような方法は、PVDコーティングよりもはるかに有効である。これはすなわち、基材をバッチプロセスにおいてコーティングできる場合、10μm又は30μmまでの範囲にある薄層にとって経済的な利点を有する。 In some cases, the geometry of the component to be coated also determines the coating process. This is the case, for example, when the cylinder bore needs to be coated. The thermal spraying method is far more suitable than the PVD method for coating the inner part of this component in this way. Such a method is far more effective than PVD coating, even when thick layers greater than 100 μm or greater than 500 μm must be deposited. This has an economic advantage for thin layers in the range up to 10 μm or 30 μm if the substrate can be coated in a batch process.
摩耗及び摩擦損失に関して特別なトライボロジーシステムの層の対形成を試験することは、もちろん、実際の内燃エンジンにおいて実行されるのが最善となり得る。しかしながら、こうした試験は、すべての可能な材料組み合わせに対して行うにはコストがかかりすぎる。加えて、未知の材料の組み合わせが、内燃エンジンに損傷を与え得るリスクも存在する。この損傷は、試験スタンド全体の破壊をももたらし得る Testing the layer pairing of a special tribology system for wear and friction loss can, of course, be best performed in a real internal combustion engine. However, such tests are too costly to perform on all possible material combinations. In addition, there is a risk that unknown material combinations can damage the internal combustion engine. This damage can also result in the destruction of the entire test stand
上記は、層を選択して層の対形成をすることについて、可能性が多様であることと、いかに困難であるかの双方を示す。 The above shows both the variety of possibilities and how difficult it is to select layers and pair them.
したがって、目的は、詳しくは内燃エンジンのための改善されたトライボロジーシステムを与えることにある。ここで、2体それぞれが内燃エンジンのコンポーネントを形成し、それらの表面には2つの材料エリアが形成され、当該材料エリアは、動作中に少なくとも所定の面積において互いに接触し合ってトライボロジー接触を形成する。詳しくは、ピストンリング及びシリンダからなるか又はシリンダ及びピストンからなるトライボロジーシステムを改善する必要性が存在する。ここでの目的はまた、詳しくは、層として設計される材料エリアが生成され得るさらなる材料又は材料組み合わせを与えることにある。 Therefore, the purpose is to provide an improved tribology system specifically for internal combustion engines. Here, each of the two bodies forms a component of an internal combustion engine, and two material areas are formed on their surfaces, and the material areas come into contact with each other in at least a predetermined area during operation to form a tribological contact. To do. Specifically, there is a need to improve the tribology system consisting of piston rings and cylinders or cylinders and pistons. The purpose here is also to provide additional materials or material combinations in which material areas designed as layers can be produced, in particular.
第1側面によれば、本開示は、第1本体及び第2本体を有するトライボロジーシステムを与える。これらはそれぞれが、内燃エンジンのコンポーネントであり、詳しくはピストン、ピストンリング又はシリンダである。それらの表面は、動作中に少なくともいくつかの領域において接触するようになりトライボロジー接触を形成する第1材料エリア及び第2材料エリアを有する。第1材料エリア及び/又は第2材料エリアは、酸化クロム系又は酸化アルミニウムクロム系の層として形成される。さらなる側面及び特徴は、従属請求項、添付図面、及び以下の複数の実施形態の記載から得られる。 According to the first aspect, the present disclosure provides a tribology system having a first body and a second body. Each of these is a component of an internal combustion engine, more specifically a piston, piston ring or cylinder. Their surfaces have a first material area and a second material area that come into contact in at least some areas during operation to form a tribological contact. The first material area and / or the second material area is formed as a chromium oxide-based or aluminum aluminum oxide-based layer. Further aspects and features are derived from the dependent claims, the accompanying drawings, and the description of the following embodiments.
以下、例示として及び添付図面を参照して、複数の実施形態が記載される。 Hereinafter, a plurality of embodiments will be described by way of example and with reference to the accompanying drawings.
実施形態に関する一般的な説明が最初になされた後、図面を参照して実施形態の詳細な説明が続く。 A general description of the embodiment is first made, followed by a detailed description of the embodiment with reference to the drawings.
一実施形態において、トライボロジーシステムは、それぞれが内燃エンジンのコンポーネント、詳しくはピストン、ピストンリング又はシリンダを形成する第1本体及び第2本体を含み、第1本体及び第2本体の表面は、動作中に少なくともいくつかの領域において互いに接触してトライボロジー接触を形成する第1材料エリア及び第2材料エリアを含み、第1材料エリア及び/又は第2材料エリアは、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成され、内燃エンジンの燃焼室近くに存在するクリティカルなトライボロジーシステムにとって特に好ましい特性を有する。 In one embodiment, the tribology system comprises a first body and a second body each forming a component of an internal combustion engine, specifically a piston, a piston ring or a cylinder, and the surfaces of the first and second bodies are in operation. Includes a first material area and a second material area that contact each other to form a tribological contact in at least some of the regions, the first material area and / or the second material area being a layer based on chromium oxide or aluminum oxide. Formed as, it has particularly favorable properties for critical tribology systems located near the combustion chamber of an internal combustion engine.
酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層を、異なるプロセスにおいて、内燃エンジンにとって典型的なコンパクト材料を含む異なる材料に塗布することができる。 Layers based on chromium oxide or aluminum oxide can be applied in different processes to different materials, including compact materials typical for internal combustion engines.
鋼(例えば品質42CrMo4)は、ピストンが製造される典型的な材料である。ピストンとピストンコネクタ(さらにピストンスカート)におけるそのランニング表面とにとってさらなる典型的な材料は例えば、11〜13%のSiと、Cu、Mg及びNiの少量の添加物とを有する包晶アルミニウム・ケイ素合金である。例えばセラミックス、炭素繊維及び多孔性金属材料から作られる補強要素が、特に高い応力がかかるピストン領域に特別に配列される軽金属複合材料も存在する。 Steel (eg quality 42CrMo4) is a typical material from which pistons are manufactured. Further typical materials for the piston and its running surface in the piston connector (and further the piston skirt) are for example a perite aluminum-silicon alloy with 11-13% Si and a small amount of additives of Cu, Mg and Ni. Is. For example, there are also light metal composites in which reinforcing elements made of ceramics, carbon fibers and porous metal materials are specially arranged in the piston region where particularly high stress is applied.
シリンダは通常、クランクケースの一部であり、モノメタル設計において、例えば鋳鉄合金又はアルミニウム・ケイ素合金から製造することができる。かかるシリンダのランニング表面は、鋳造用の材料に直接形成される。 The cylinder is usually part of a crankcase and can be manufactured from, for example, cast iron alloys or aluminum-silicon alloys in monometal designs. The running surface of such a cylinder is formed directly on the material for casting.
いわゆる塗布技術において、シリンダスリーブがクランクケースの中にインサートされる。この場合、スリーブはGCI材料、アルミニウム材料、又はさらにアルミニウム・ケイ素合金から作られ、適切に機械加工されたレセプタクルにおいてクランクケースにインサート、又はプレス、シュリンク若しくは鋳造される。 In so-called coating techniques, the cylinder sleeve is inserted into the crankcase. In this case, the sleeve is made of GCI material, aluminum material, or even an aluminum-silicon alloy and is inserted, pressed, shrunk or cast into the crankcase in a properly machined receptacle.
いわゆる複合技術においては、適切な金属及びセラミック材料が複合されて作られた円筒形状体が鋳型にインサートされ、高圧下で溶融アルミニウム合金により浸潤されてクランクケースが形成される。 In the so-called composite technique, a cylindrical body made of a composite of suitable metal and ceramic materials is inserted into a mold and infiltrated with a molten aluminum alloy under high pressure to form a crankcase.
すべてのシリンダのシリンダランニング表面は、トライボロジーランニングパートナーとして設計され、精細なボアリング又はターニング及びその後のホーニングによりピストン及びピストンリングに対するシール表面となる。 The cylinder running surface of all cylinders is designed as a tribology running partner and provides a sealing surface for pistons and piston rings by fine bored or turning and subsequent honing.
金属シールとして作用して燃焼室をクランクケースに対してシールするピストンリングに対しては、様々な設計及び材料が存在する。鋼又はねずみ鋳鉄材料が広く使用される。この場合、リングランニング表面を補強することも一般的な慣習となっている。リングランニング表面は、シリンダ摺動路と、すなわち耐摩耗保護層とトライボロジーシステムを形成する。すでに言及したリングランニング表面のコーティングに加え、クロム・セラミック層、クロム・ダイヤモンド層又はモリブデン系コーティングも与えられる。窒化又は硝化浸炭プロセスにおいて、窒素と、いくつかの場合には炭素とを、ピストンリングの表面に、拡散により組み入れることができる。 There are various designs and materials for piston rings that act as metal seals to seal the combustion chamber to the crankcase. Steel or gray cast iron materials are widely used. In this case, it is also common practice to reinforce the ring running surface. The ring running surface forms a cylinder slide path, i.e. a wear resistant protective layer and a tribology system. In addition to the ring running surface coatings already mentioned, chrome ceramic layers, chrome diamond layers or molybdenum-based coatings are also provided. In a nitriding or nitrifying carburizing process, nitrogen and, in some cases, carbon can be incorporated onto the surface of the piston ring by diffusion.
コーティングとして作られた第1材料エリア及び第2材料エリアがそれぞれ、ランニング表面を形成するコンポーネントの表面上に配列される設計が存在する。コンポーネント、すなわちピストン、ピストンリング又はシリンダに対し、これらは、ピストンのピストンシャフト摺動路であり、ピストンリングのリングランニング表面であり、及びシリンダ内側のシリンダ摺動路である。これらの表面は、それぞれが本発明に係るトライボロジーシステムを形成するそれぞれのランニング表面を形成し、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層として設計することができる。 There is a design in which the first material area and the second material area made as a coating are respectively arranged on the surface of the component forming the running surface. For components, ie pistons, piston rings or cylinders, these are the piston shaft sliding paths of the piston, the ring running surface of the piston ring, and the cylinder sliding paths inside the cylinder. Each of these surfaces forms a running surface that forms the tribology system according to the invention and can be designed as a layer based on chromium oxide or aluminum oxide.
ピストンリングとして形成された第1本体における第1材料エリアが、化学組成(Al−xCr−y)2O3を有する酸化アルミニウムクロムに基づく化学組成(Al−xCr−y)2O3を有する層となる設計が存在する。ここで、0.1<x<1かつy<0.5、0.5<x<1かつy<0.5、又はx=0.7かつy=0.3である。かかるコーティングは、異なる摩擦パートナー(シリンダランニング表面上の第2材料エリア)に対し、乾燥状態及び潤滑状態の双方において正のトライボロジー特性を示す。
First material area in the first body which is formed as a piston ring, a layer having a chemical composition (A l- xCr-y) 2O3 chemical composition based on aluminum oxide chromium having a (A l- xCr-y) 2O3 There is a design. Here, 0.1 <x <1 and y <0.5, 0.5 <x <1 and y <0.5, or x = 0.7 and y = 0.3. Such coatings exhibit positive tribological properties in both dry and lubricated conditions for different friction partners (second material areas on the cylinder running surface).
他の設計において、シリンダとして形成される第2本体の第2材料エリアは、10重量%から100重量%のCr2O3とそれに対応する90重量%から0重量%のAl2O3の組成を有する混合アルミナ・クロム酸化物層である。かかる層は、(例えば熱溶射を使用した)適切なコーティング法によりシリンダランニング表面に塗布され、上に示された組成(Al−xCr−y)2O3を有する(第1材料エリアにより形成された)酸化アルミニウムクロムに基づく他層にとっての良好なトライボロジーパートナーとなる。
In another design, the second material area of the second body formed as a cylinder is a mixed alumina-chromium having a composition of 10% to 100% by weight Cr2O3 and a corresponding 90% to 0% by weight Al2O3. It is an oxide layer. Such a layer was applied to the cylinder running surface by a suitable coating method (eg using thermal spraying) and had the composition (All - xCr-y) 2O3 shown above (formed by the first material area). ) A good tribology partner for other layers based on aluminum oxide chromium.
表面粗さに好ましい影響を与えることによりトライボロジー特性をさらに改善し得る設計が存在する。ここで、表面粗さRaとして、μm単位の以下の値、すなわち1≦Ra≦0.5;0.15≦Ra≦0.4;Ra=0.15又はRa=0.4が第1材料エリアに当てはまり、以下の値、すなわち0.1≦Ra≦0.5;0.15≦Ra≦0.45;Ra=0.15又はRa=0.45が第2材料エリアに当てはまる。 There are designs that can further improve the tribological properties by positively affecting the surface roughness. Here, as the surface roughness Ra, the following values in μm units, that is, 1 ≦ Ra ≦ 0.5; 0.15 ≦ Ra ≦ 0.4; Ra = 0.15 or Ra = 0.4 are the first materials. The following values apply to the area, namely 0.1 ≤ Ra ≤ 0.5; 0.15 ≤ Ra ≤ 0.45; Ra = 0.15 or Ra = 0.45.
熱溶射法を使用して材料エリアが形成される設計が存在する。溶射材料(これは例えばAl2O3及びCr2O3のような異なるコンポーネントとの粉末混合物となり得る)が、集中された高エネルギー熱源の中に導入され、融合又は一部溶融され、溶射粒子の形態で高速でコーティング対象基材の表面に投入される。このプロセスは、シリンダランニング表面又はさらにピストンシャフト摺動路のような広い表面をコーティングするのに特に適切である。一般的な方法は、高速フレーム溶射(HVOF)、いわゆるコールドガス溶射、アーク溶射、及びプラズマ溶射である。得られる層の組成は、近似的に開始材料(粉末混合物)の組成に対応する。 There are designs in which the material area is formed using thermal spraying. The sprayed material, which can be a powder mixture with different components such as Al2O3 and Cr2O3, is introduced into a concentrated high energy heat source, fused or partially melted and coated at high speed in the form of sprayed particles. It is charged on the surface of the target base material. This process is particularly suitable for coating wide surfaces such as cylinder running surfaces or even piston shaft slide paths. Common methods are high speed frame spraying (HVOF), so-called cold gas spraying, arc spraying, and plasma spraying. The composition of the resulting layer approximately corresponds to the composition of the starting material (powder mixture).
熱溶射において、層厚さは、50mmから400mmであり、詳しくはさらに150μmから800μmである。 In thermal spraying, the layer thickness is 50 mm to 400 mm, more specifically 150 μm to 800 μm.
材料の一つがPVD法(物理的気相成長法)を使用して、詳しくは陰極スパーク蒸発を使用して形成される設計も存在する。周知のPVD法において、気相又はプラズマからのイオン、原子又は分子の堆積により、トライボロジー保護層が基材(コーティング対象コンポーネントのベース材料)の表面に作られる。これを目的として、必要な開始材料(例えば金属、セラミックス等)が、熱的に蒸発又は微粒化されてコンポーネント上に再び凝縮される。 There are also designs in which one of the materials is formed using the PVD method (Physical Vapor Deposition), specifically cathodic spark evaporation. In a well-known PVD method, the deposition of ions, atoms or molecules from the gas phase or plasma creates a tribology protective layer on the surface of the substrate (the base material of the component to be coated). For this purpose, the required starting material (eg, metal, ceramics, etc.) is thermally evaporated or atomized and recondensed on the component.
いわゆる陰極スパーク蒸発及びいわゆる陰極微粒化(又はMSIP(マグネトロンスパッタイオンプレーティング))は双方とも、かなり以前に確立されたプロセスであり、コーティングツール及びコンポーネントのために使用され、これらが使用されて大抵の異なる層を堆積することができる。 Both so-called cathode spark evaporation and so-called cathode atomization (or MSIP (Magnetron Sputter Ion Plating)) are processes established long ago and are used for coating tools and components, which are often used. Different layers can be deposited.
例えば、PVD法により形成された材料エリアが10から30μmの層厚さを有する設計が存在する。 For example, there are designs in which the material area formed by the PVD method has a layer thickness of 10 to 30 μm.
一つの材料エリアがMo、MoN、MoCuN、DLC又はta−Cに基づく層として形成され、一つの材料エリアが酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成される設計も存在する。 There are also designs in which one material area is formed as a layer based on Mo, MoN, MoCuN, DLC or ta-C and one material area is formed as a layer based on chromium oxide or aluminum oxide.
Mo、MoN、MoCuNは、トライボロジー特性を改善する耐性層である。 Mo, MoN, and MoCuN are resistant layers that improve tribological properties.
DLC(ダイヤモンド様炭素)層は一般に、本質的に炭素からなるいわゆる薄膜システムを含み、PVD又はCVD(化学的気相成長)法を使用して塗布される。これらの層は、グラファイト、ダイヤモンド様、若しくは非晶質炭素、又はプラズマポリマー層と同様の炭素水素層である。 The DLC (diamond-like carbon) layer generally comprises a so-called thin film system consisting essentially of carbon and is applied using PVD or CVD (Chemical Vapor Deposition) methods. These layers are graphite, diamond-like, or amorphous carbon, or hydrocarbon layers similar to plasma polymer layers.
ta−Cに基づく層はまた、いわゆるDLC層であり、グラファイト結合とダイヤモンド様結合との間の所定の比によって区別される。ここでは、ダイヤモンド様結合部分が支配的となる。このようなta−Cに基づく層はまた、詳しくは酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層とのトライボロジー組み合わせにおいても、優れたトライボロジー特性を与える。 The ta-C based layer is also a so-called DLC layer, distinguished by a predetermined ratio between graphite and diamond-like bonds. Here, the diamond-like joint is dominant. Such a ta-C based layer also provides excellent tribological properties, specifically in a tribological combination with a chromium oxide or aluminum oxide based layer.
当該層の少なくとも一つが、少なくとも80GPaのユニバーサル硬さを有する設計が存在する。層の硬さは、耐摩耗性の指標となることが多い。 There are designs in which at least one of the layers has a universal hardness of at least 80 GPa. The hardness of the layer is often an indicator of wear resistance.
本発明は詳しくは、本発明に係るトライボロジーシステムを備えた内燃エンジンに関する。上述したトライボロジーシステムは、シリンダ/ピストンエリアの摺動摩擦負荷により熱的に高応力を受けるコンポーネントにおいて特に有利となる。これらのシステムは、ピストンシャフト摺動路(ピストンスカート摺動路)及びシリンダ摺動路から形成されるトライボロジーシステムと同様に、ピストンリング8/9(複数のリング)とシリンダ摺動路とのトライボロジーシステムも含む。 The present invention specifically relates to an internal combustion engine including the tribology system according to the present invention. The tribology system described above is particularly advantageous for components that are thermally stressed by the sliding friction load in the cylinder / piston area. These systems are similar to the tribology system formed from the piston shaft sliding path (piston skirt sliding path) and the cylinder sliding path, and are the tribology of the piston ring 8/9 (plural rings) and the cylinder sliding path. Including the system.
酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成される少なくとも一つのさらなる表面エリアがピストンに与えられる設計が存在する。これらのエリアは、詳しくはピストンリング溝エリア、ピストンクラウン、又はさらにはピストンシャフトを含む。ここで、耐熱性かつ堅牢な硬層が、これらのエリアの高い応力をベース材料へと伝達するのに役立つ。 There are designs that provide the piston with at least one additional surface area formed as a layer based on chromium oxide or aluminum oxide. These areas specifically include the piston ring groove area, the piston crown, or even the piston shaft. Here, a heat-resistant and robust hard layer helps transfer the high stresses in these areas to the base material.
図1に戻ると、この図は、動作時に振動するピストン102が配列されたシリンダ101を備えた内燃エンジン100のコンポーネントを、模式的な縦断面図において例示する。ピストン102には、ピストンリング溝104に配列された3つのピストンリング103が与えられる。シリンダ壁105は冷却チャネル106を有し、実際のシリンダボアが、ここでは、インサートされた(随意的な)シリンダライナ107によって形成される。シリンダライナ107の内表面108にはシリンダランニング表面が形成される。
Returning to FIG. 1, this figure illustrates a component of an
ピストン102は、上端にピストンクラウン109を有する。円筒形状のピストンリング溝エリア110がピストンクラウン109に境界を有してピストンコネクタ111に合流する。
The
一方ではシリンダ101又はシリンダスリーブ107(もしあれば)が、他方ではピストンリング103又はピストンコネクタ111が、ここではトライボロジーシステム1及び2を形成する。
On the one hand the
図1Aは、トライボロジーシステム1を示す。ここでは、ピストンリング103が第1本体を形成し、その表面では、少なくともリングランニング表面112のエリアにおいて、第1材料エリア11は、例えば(Al−0.7Cr−0.3)2O3層のような酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成される。本発明に係る他の組成に関し、以下は(Al−xCr−y)2O3が当てはまる。ここで、0.1≦x≦1かつy≦0.5であり、0.5≦x≦1かつy≦0.5である。層厚さは10から30μmであり、硬さが少なくとも18GPaである。層は、表面粗さ(単位がμmのRa)がRa=0.15又はRa=0.4であり、他の実施形態では0.1<Ra<0.5の範囲内にある。ピストンリング103のための他の適切なコーティングは、表1bにC2及びD2として示される。
FIG. 1A shows the
第2材料エリア12が、シリンダ摺動路108の層として形成され、当該層はアルミナ及び酸化クロムの混合物から形成され、Al2O3の重量含有量が62重量%であり、Cr2O3の重量含有量が38重量%である。表面粗さはRa=0.45μmである(表1aのE1)。代替的に、第1材料エリアは、Ra=0.15μmの表面粗さ(表1aのD1)を有する酸化クロム(Cr2O3)層として形成される。
The
代替的に、第2材料エリア12は酸化アルミニウムクロム層から形成され、酸化クロム含有量が10から100の重量%含有量を構成し、酸化アルミニウム含有量が90から0の、対応する相補的重量%をなす。第2材料エリアに対する他の適切なコーティングはまた、表1aのA1、B1及びC1として示される層システムとすることができる。
Alternatively, the
このように、単数又は複数のピストンリング103(第1本体)と、シリンダ105又はシリンダスリーブ107(第2本体)とがそれぞれ、接触表面112及び108と、単数若しくは複数の第1材料エリア11との及び第2材料エリア12との、トライボロジーシステムを形成する。ここで、接触表面は、動作中に互いに対して滑り合う。
As described above, the single or multiple piston rings 103 (first main body) and the
すなわちピストン速度が低い又はゼロともなるピストンの上死点及び下死点において、大きな乾燥摩擦が存在する動作条件が存在する。エンジン油により形成される2つの表面間の潤滑膜がその後、大きく破壊される。 That is, there is an operating condition in which a large dry friction exists at the top dead center and the bottom dead center of the piston where the piston speed is low or becomes zero. The lubricating film between the two surfaces formed by the engine oil is then severely destroyed.
反転ポイント間のピストンの往復動中に湿潤摩擦又は潤滑摩擦が生じる。その後、エンジン油が有効な潤滑膜を、材料エリア11及び12間に形成する。これが、摩擦及び摩耗を大幅に低減する。
Wet friction or lubrication friction occurs during the reciprocating movement of the piston between the reversal points. The engine oil then forms an effective lubricating film between the
潤滑剤が材料エリア11及び12間の完全な膜としては存在しないが当該表面の凹部では利用可能となる混合摩擦条件も生じ得る。この潤滑効果は、潤滑剤吸収能力が低い(例えば研磨された又はつや消し表面上の)低表面粗さによる滑らかな表面よりも、(例えば磨かれた表面上の)高表面粗さの方が強くなる。
Mixing friction conditions may also arise in which the lubricant is not present as a complete film between the
第2トライボロジーシステム2が図1Bに示される。詳細な例示1Bが、第1材料エリア11が形成された表面113上のピストンコネクタ111を示す。当該表面には、表1aにおいてA1、B1、C1、D1又はE1として示されるコーティングが与えられる。代替的に、表面113はまた、シリンダ摺動路108のコーティングに関連して上述された異なるコーティングも有し得る。ここでもまた、第1トライボロジーシステム1と同様、シリンダ105におけるピストン102の動きの状態に応じて動作中に、乾燥摩擦、潤滑摩擦又は混合摩擦が生じる。
The
ピストンの他の表面エリアに、さらなる随意的なコーティングも与えることができるが、他方、ピストンクラウン(図1C参照)において、耐熱性及び耐圧性を改善する層114を与えることもできる。ピストンリング溝エリア110に、詳しくはピストンリング溝104のエリアに、他の層115を与えることもできる。ここで、表1aに挙げられた層A1、B1、C1、D1、E1、及びさらにはモリブデン、モリブデン窒素、モリブデン銅窒素、DLC又はta−Cに基づく層も使用することができる。
Other surface areas of the piston can also be provided with an additional optional coating, while the piston crown (see FIG. 1C) can also be provided with a
さらに、例えば、ピストンリング103に(第1材料エリア11において)酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層が与えられる場合、それと協働する層(第2材料エリア12)を、Mo、MoN、MoCuN、DLC又はta−Cに基づく層としてシリンダ摺動路108に形成できることも当てはまる。
Further, for example, when the
それとは反対に、そのような層が単数又は複数のピストンリング103に与えられる場合、シリンダ摺動路108には、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層、詳しくは上に又は下に詳述される特性を有する層、が与えられる。同じことは、シリンダ摺動路111とピストンシャフト摺動路113とにより形成されるトライボロジーシステムにも当てはまる。
On the contrary, when such a layer is provided to one or
以下において、図2から16は、試験を、とりわけ、本発明に係る上述の実施形態につながる関連試験設定及びいくつかの試験結果とともに説明するべく使用される。この種類の重要な試験は、材料の摩耗及び摩擦の挙動を特徴付けることができる振動摩擦摩耗(SRV)試験(DIN51834)である。これらの試験により、その後の塗布の多くのトライボロジー状況をシミュレートすることができるので、本体のコーティング及び対抗体の有用な事前選択をすることができる。すなわち、実際の燃焼エンジンにおいて、コーティングを選択するときに、ほぼ事前にある程度最適化された解決策を使用することができるので、微調整のみが必要となる。これは、接触圧力又は温度のようなSRV試験のパラメータを、すでに行われたエンジン試験の結果を反映する態様で調整することにより達成される。 In the following, FIGS. 2-16 are used to illustrate the test, among other things, along with related test settings and some test results that lead to the aforementioned embodiments of the present invention. An important test of this type is the Vibration Friction Wear (SRV) Test (DIN 51834), which can characterize material wear and friction behavior. These tests can simulate many tribological situations of subsequent application, allowing useful preselection of body coating and anti-antibody. That is, in a real combustion engine, only fine-tuning is required, as a solution that is optimized to some extent in advance can be used when choosing a coating. This is achieved by adjusting the parameters of the SRV test, such as contact pressure or temperature, in a manner that reflects the results of the engine tests already performed.
かかるSRV試験を、本発明に係る調査を目的として使用し、試験のパラメータが、トライボロジー接触での不完全な潤滑がシミュレートされる態様で選択された。パラメータは、不完全な潤滑の場合と、「乾燥」すなわち潤滑剤なしで試験が行われる場合との双方において使用された。実験により、かかる試験が、2つの基本的な摩耗挙動に関する情報を与えることが示された。乾燥試験により、トライボロジー接触のパートナーの、上述したすべての焼き付き挙動が調査され、トライボパートナーの相対的な摩耗が明らかになる。このような高接触圧力下での潤滑試験により、不十分な潤滑がシミュレートされる。これらの試験条件により、トライボパートナーの摩耗についての情報が得られるとともに、材料組み合わせの相対的な比較を許容する摩擦係数も得られる。 Such SRV tests were used for the purposes of the study according to the invention and the test parameters were selected in a manner that simulated incomplete lubrication at tribological contacts. The parameters were used both in the case of incomplete lubrication and in the case of "drying" or testing without lubricant. Experiments have shown that such tests provide information on two basic wear behaviors. The drying test investigates all the seizure behaviors of the tribological contact partners described above and reveals the relative wear of the tribological partners. Lubrication tests under such high contact pressures simulate inadequate lubrication. These test conditions provide information about tribopartner wear as well as a coefficient of friction that allows relative comparison of material combinations.
様々な層材料が実験において調査された。層の選択は、内燃エンジンのピストンリングとシリンダ摺動路とのトライボロジー接触をさらに発展させて改善するように行われた。すなわち、層は、第1グループ1では熱溶射法を使用して、第2グループ2ではPVD法を使用して、好ましくはスパッタリングにより、さらに好ましくは反応性陰極スパーク蒸発により生成された。
Various layer materials were investigated in the experiment. The layer selection was made to further develop and improve the tribological contact between the piston ring of the internal combustion engine and the cylinder slide path. That is, the layers were formed using the thermal spraying method in the
試験片をコーティングするべく、2つのコーティング法が使用された。すなわちグループ1のサンプル試料には、シリンダ摺動路への塗布に好適であることが実験により示されている層、又はこの塗布に対して調べられる層が与えられた。
Two coating methods were used to coat the specimen. That is, the sample sample of
グループ2の試料が、ピストンリングコーティングに適切であることが実験により示されている材料、又はかかる塗布のために特性が明らかにされるべき材料によりコーティングされた。層は、平面状試験片に堆積され、部分的に事後処理された。試験は、鋼の対抗体(100Cr6)及び酸化アルミニウムの双方により行われた。
図2は、SRV試験を行うべく使用された装置の模式的な設定を示し、本文において使用される用語を記載する。試験は、かなり多い数の層材料に対して行われたが、それらのすべてがここに記載されるわけではない。 FIG. 2 shows a schematic configuration of the device used to perform the SRV test and describes the terms used in the text. Testing has been performed on a fairly large number of layered materials, but not all of them are listed here.
内燃エンジン分野の開発に向けられた2つの重要な技術的目標は、摩耗を低減してコンポーネント供用寿命及び供用時間間隔を延ばすこと、並びに摩擦損失を低減して効率を改善することにある。 Two important technical goals for the development of the internal combustion engine field are to reduce wear to extend component service life and service time intervals, and to reduce friction loss to improve efficiency.
重要な側面はまた、内燃エンジンにおいて使用される材料の温度安定性に関する。ここでの傾向は、燃焼プロセスが高温で生じることによりエンジン効率も増加し得るように温度安定性を改善することにある。こうした高温においてコンパクト材料表面を保護して周囲温度及び高温双方で良好なトライボロジー特性を有する温度安定層材料をサーチすることは、これらの調査の他の重要な理由である。 An important aspect also concerns the temperature stability of the materials used in internal combustion engines. The trend here is to improve the temperature stability so that the engine efficiency can also be increased by the combustion process occurring at high temperatures. Searching for temperature-stable layer materials that protect the compact material surface at these high temperatures and have good tribological properties at both ambient and high temperatures is another important reason for these investigations.
図2は、乾燥条件(左側)及び潤滑条件(右側)のSRV試験の原理を記載する。トライボロジーシステム又はトライボシステムは、2つのトライボパートナー、すなわち本体(K)及び対抗体(GK)からなる。実験では、Kが層によりコーティングされる一方、鋼(100Cr6)及び酸化アルミニウムから作られた球状の研磨されたGKが使用された。Kは、ベースに強固にクランプされて加熱される。GKが、Kのコーティングされた表面上の2つの矢印で示される力により、K上を水平振動による振動態様で動く間、負荷Lが同時に適用される。潤滑試験(右側)においては、この振動に潤滑剤Sが追加される。 FIG. 2 describes the principle of SRV test under drying conditions (left side) and lubrication conditions (right side). A tribology system or tribo system consists of two tribo partners, namely body (K) and counter-antibody (GK). In the experiment, spherical polished GK made from steel (100Cr6) and aluminum oxide was used while K was coated with a layer. K is firmly clamped to the base and heated. The load L is applied simultaneously while the GK moves on the K in a vibrating manner by horizontal vibration due to the forces indicated by the two arrows on the coated surface of the K. In the lubrication test (right side), the lubricant S is added to this vibration.
実験の説明 Description of the experiment
表1a及び表bは、試験を受けた層材料を示す。これらの材料のいくつかは、すでに技術的に導入され、又はすでにエンジン試験(A1、B1、C1)に適格とされている。加えて、トライボロジー特性は未知であるが改善された温度安定性(D1、E1、C2、D2)が見込まれるさらなる材料が試験された。これらの材料は主に、酸化物由来であるが、そのいくつかは本発明の内容に属する。表1a及びbは、試験された材料のいくつかのみを記載し、これらの層が有していた表面粗さも示す。これはもちろん、異なる事後処理に依存する。 Tables 1a and b show the layer materials tested. Some of these materials have already been technically introduced or are already eligible for engine testing (A1, B1, C1). In addition, additional materials with unknown tribological properties but with improved temperature stability (D1, E1, C2, D2) were tested. These materials are mainly derived from oxides, some of which belong to the content of the present invention. Tables 1a and b list only some of the materials tested and also show the surface roughness that these layers had. This, of course, depends on different post-processing.
これらの調査では、これらの事後処理のためにホーニング、グラインディング又はつや消しのような一般的な方法のみが使用されたので、本発明が技術的に実装されることが、コーティングのみならず事後処理に対しても保証される。表は、層材料をコーティング法に応じてグループ分けする。すなわち、シリンダランニング表面への塗布が意図される層が表1aに与えられ、ピストンリングのコーティングが意図されるものが表1bに与えられる。この分け方がされたのは、異なるコーティング法が、リング及びライナのコーティングに対して異なる程度とすることが適切だからであるが、制限と見なしてはならない。 Since these studies used only common methods such as honing, grinding or matting for these post-treatments, the technical implementation of the present invention is not only for coatings but also for post-treatments. Is also guaranteed. The table groups the layer materials according to the coating method. That is, a layer intended to be applied to the cylinder running surface is provided in Table 1a, and a layer intended to be coated on the piston ring is provided in Table 1b. This division was made because it is appropriate that different coating methods have different degrees for ring and liner coatings, but should not be considered a limitation.
さらに、異なるコーティング法において生成された同じ化学組成の層材料がまた、トライボロジーシステムにおいて同じ特性を有することは必須ではない。これは、例えば、異なる層厚さ、又は層の多孔度又は残留応力に関する機械的特性に起因し得る。シリンダランニング表面の層に対しては熱溶射法が使用され、厚さが150μmから800μmのコーティングが生成された。ピストンリング材料のコーティングに対してはPVD法が使用された。PVD法は、この場合に選択された層に対する反応性陰極スパーク蒸発である。ただし、これを目的として、熱蒸発又はスパッタリングのような他のコーティング法も使用することができる。 Moreover, it is not essential that layer materials of the same chemical composition produced in different coating methods also have the same properties in a tribology system. This can be due, for example, to different layer thicknesses, or mechanical properties with respect to layer porosity or residual stress. Thermal spraying was used on the layers of the cylinder running surface to produce coatings with a thickness of 150 μm to 800 μm. The PVD method was used for coating the piston ring material. The PVD method is reactive cathode spark evaporation for the layer selected in this case. However, other coating methods such as thermal evaporation or sputtering can also be used for this purpose.
平坦なサンプルがコーティングされた。熱溶射により生成されたサンプルすべてが、熱溶射されたシリンダ摺動路の事後処理を目的として生成時に使用される標準的なホーニングに対応する表面粗さを有するように事後処理を受けた。 A flat sample was coated. All the samples produced by thermal spraying were post-treated to have a surface roughness corresponding to the standard honing used during production for the purpose of post-treatment of the thermal sprayed cylinder slides.
スパーク蒸発を使用して生成された層は、事後処理なしか、又は標準的なつや消し法を使用して事後処理された。層材料の製造プロセスへの割り当て、選択、及びさらなる詳細が、事後処理のタイプ、及び得られた表面粗さとともに、表1a及び表1bに与えられる。 Layers produced using spark evaporation were post-treated with no post-treatment or using standard matting methods. Allocation, selection, and further details of the layer material to the manufacturing process are given in Tables 1a and 1b, along with the type of post-treatment and the surface roughness obtained.
SRV試験において、研磨された鋼(100Cr6)及び酸化アルミニウムの球が対抗体として使用された。2つの異なる油により乾燥及び潤滑双方の試験が行われた。試験は、高温での層の安定性をも調査するべく、周囲温度において、及び使用される潤滑剤の安定性限度に近い160℃までの温度に対して行われた。 Polished steel (100Cr6) and aluminum oxide spheres were used as counter-antibodies in the SRV test. Both drying and lubrication tests were performed with two different oils. The tests were conducted at ambient temperature and at temperatures up to 160 ° C., close to the stability limits of the lubricants used, to also investigate the stability of the layer at elevated temperatures.
試験により以下の結果が得られた。
1.時間の関数としての摩擦係数の曲線
2.様々な条件下でのコーティングの摩耗
3.様々な条件下での対抗体の摩耗
The following results were obtained by the test.
1. 1. Curve of coefficient of friction as a function of
結果は表形式で与えられる。摩擦係数は、各試験の終わりで得られた値が表に組み入れられる。コーティング及び対抗体の摩耗の評価は、光学顕微鏡摩耗画像の光学的評価、及び光学走査表面プロファイルの定量評価に基づく。表形式で与えられる値の良好な理解を目的として、すべてのタイプの結果と、SRV試験において調べられた条件とに対し、一例が与えられる。 The results are given in tabular form. For the coefficient of friction, the values obtained at the end of each test are included in the table. Evaluation of coating and anti-antibody wear is based on optical evaluation of light microscopy wear images and quantitative evaluation of optical scanning surface profiles. An example is given for all types of results and the conditions examined in the SRV test for the purpose of a good understanding of the values given in tabular form.
図3は、研磨された鋼球を対抗体とした、事後処理された低合金鋼の層(A1)、及び研磨されたAl−Cr−O層(D2)の摩擦係数の時間経過を示す。SRV試験は、乾燥、すなわち潤滑なしで行われた。測定時間の終わりの摩擦係数が、A1に対しては0.86、D2に対しては0.76であることがわかる。曲線D2のノイズは、酸化物層の方が低合金鉄よりも高い。 FIG. 3 shows the time course of the coefficient of friction of the post-treated low alloy steel layer (A1) and the polished Al—Cr—O layer (D2) using the polished steel balls as counter-antibodies. The SRV test was performed dry, i.e. without lubrication. It can be seen that the coefficient of friction at the end of the measurement time is 0.86 for A1 and 0.76 for D2. The noise of the curve D2 is higher in the oxide layer than in the low ferroalloy.
これらの試験条件のもと、トライボロジーシステムは、当業者にとってトライボロジー接触における「焼き付き」として示される摩擦係数の値を有する。かかる値は、ここに説明される塗布に対して回避する必要がある。 Under these test conditions, tribology systems have a coefficient of friction value that will be shown to those skilled in the art as "seizure" in tribology contact. Such values should be avoided for the applications described herein.
図4は層の摩耗を示す。これを目的として、層表面の光学顕微鏡画像が、試験後に取得された(上欄の画像)。層表面における明白な変化が、振動鋼球が動く約1mmの長さのエリアに見られる。EDX測定を使用して、A1及びD2双方について対抗体(100Cr6)の材料を検出することができる。すなわち、材料は、対抗体から層へ移動し(焼き付き)、対抗体の摩耗を示す。 FIG. 4 shows layer wear. For this purpose, an optical microscope image of the layer surface was obtained after the test (image in the upper column). A clear change in the layer surface is seen in the area about 1 mm long in which the vibrating steel ball moves. EDX measurements can be used to detect anti-antibody (100Cr6) material for both A1 and D2. That is, the material moves from the counter-antibody to the layer (burn-in) and exhibits anti-antibody wear.
層摩耗を詳細に特徴付けるべく、振動する運動方向に直交するように表面が機械的に走査された。これは、図面において白線により示される。製造者Nanofocus社のタイプ「μ−Surf」(登録商標)の共焦点白色光顕微鏡が、本測定のデバイスとして使用された。走査において得られたA1の表面プロファイルは、A1の部分的材料塗布及び部分的層摩耗による表面粗さの増加を示す。D2の表面プロファイルにおいて、少ない摩耗が観察される。振動する動きの両エッジに塗布がされ、中間には、スクラッチを除いてアブレーションがほとんど存在しない。摩耗尺度(1が摩耗なし、5が摩耗強)に基づくと、この摩耗はA1に対して約2、D2に対して1〜2と評価される。 The surface was mechanically scanned perpendicular to the direction of oscillating motion to characterize layer wear in detail. This is indicated by a white line in the drawing. A confocal white light microscope of type "μ-Surf"® from the manufacturer Nanofocus was used as the device for this measurement. The surface profile of A1 obtained by scanning shows an increase in surface roughness due to partial material application and partial layer wear of A1. Less wear is observed in the surface profile of D2. It is applied to both edges of the vibrating movement, with almost no ablation in the middle, except for scratches. Based on the wear scale (1 is no wear, 5 is strong wear), this wear is rated as about 2 for A1 and 1-2 for D2.
摩擦係数のサイズは、トライボロジー分野の当業者に説明することができる。0.8近辺の値は、鋼上の鋼の乾燥摩擦にとって典型的であり、この場合、材料を層に移動することによって実現される。さらなる摩耗値が表2に与えられる。B1及びC2の値において、マイナス符号が摩耗値の後ろにつけられた。これは、対抗体の非常に強い材料の移動が、これら2つの層において生じたこと、すなわち、摩耗は存在しないが、層に対抗体材料が蓄積されたこと、を示すと考えられる。表の値は、C1の例外を除き、層が鋼に対して高い摩耗耐性であることを示す。しかしながら、トライボロジーシステムにおいて、鋼耐摩耗層が対抗体としての鋼と組み合わせられる場合、説明された層に対し乾燥条件を避ける必要があることが示される。これらの条件のもと、改善された表面粗さであっても、明確には対抗体材料を焼き付きから防ぐことができない。 The size of the coefficient of friction can be explained to those skilled in the art of tribology. Values around 0.8 are typical for the dry friction of steel on steel, which is achieved by moving the material into layers. Further wear values are given in Table 2. In the values of B1 and C2, a minus sign was added after the wear value. This is believed to indicate that very strong material movement of the anti-antibody occurred in these two layers, i.e., there was no wear but the anti-antibody material accumulated in the layers. The values in the table indicate that the layer is highly wear resistant to steel, with the exception of C1. However, in tribology systems, it is shown that when a steel wear resistant layer is combined with steel as an anti-antibody, it is necessary to avoid drying conditions for the described layer. Under these conditions, even with improved surface roughness, the anti-antibody material cannot be clearly prevented from seizure.
コーティングされた本体の摩耗に加え、トライボロジーシステムにおいて、トライボシステムの摩耗挙動を最適化するにあたっては、もちろん対抗体の摩耗も重要となる。したがって、図5において、対抗体の、この場合研磨された100Cr6鋼球の摩耗が、層と接触する球エリアの光学顕微鏡画像を取得することによって調べられる。いわゆる摩耗キャップの直径が摩耗の尺度であり、それによって依然として摩耗体積を計算することができる。表の評価を目的として、ここで再び1から5の尺度が使用される。再びであるが、1は摩耗なしを意味し、5は非常に高い摩耗を意味する。図5における写真に関し、A1は4に、D2は3に評価される。 In addition to the wear of the coated body, the wear of the anti-antibody is of course important in optimizing the wear behavior of the tribology system in the tribology system. Therefore, in FIG. 5, the wear of the anti-antibody, in this case polished 100Cr6 steel sphere, is examined by acquiring an optical microscope image of the sphere area in contact with the layer. The diameter of the so-called wear cap is a measure of wear, from which the wear volume can still be calculated. A scale of 1 to 5 is used again here for the purpose of evaluating the table. Again, 1 means no wear and 5 means very high wear. With respect to the photograph in FIG. 5, A1 is evaluated as 4 and D2 is evaluated as 3.
さらに目立つのは、D2の摩擦係数における経時的な低ノイズである。摩耗エリアにおける光学顕微鏡画像及び表面プロファイルを使用して層摩耗を調べることにより、2つの層に対して異なる結果が得られる(図7)。明白な層摩耗が、A1に関連して観察され、4と見積もられる。十分に驚くべきことだが、D2に層摩耗を見出すことができない。接触エリアの一種類の滑らかさのみが存在する。これに基づくと、層摩耗は1と評価される。 Even more noticeable is the low noise over time in the coefficient of friction of D2. Examining layer wear using light microscopy images and surface profiles in the wear area gives different results for the two layers (FIG. 7). Obvious layer wear was observed in relation to A1 and estimated to be 4. Surprisingly enough, no layer wear can be found in D2. There is only one type of smoothness in the contact area. Based on this, layer wear is evaluated as 1.
酸化アルミニウム対抗体の摩耗が図8に示される。対抗体の摩耗は、双方の層システムにとって、100Cr6対抗体の場合よりも明らかに小さい。A1(左上)について、対抗体は、多くのスクラッチを有する接触表面を示す。対抗体の丸みの、引き続いての測定(左下)により、酸化アルミニウム対抗体の表面が粗くなっていることが確認される。そうでなければ、球半径に有意な変化が観察されないこととなるのであるが。この材料対は、そのような粗い表面につながる破壊を生じさせると仮定することができる。これらが突発することの背景は、未だにはっきりとは明らかにされていない。D2に対し、観察される対抗体の摩耗は存在しない(右欄)。これは、高い接触圧力のもとで動作する潤滑なしのトライボロジーシステムにとって驚くべき結果である。A1及びD2に対する修正された表面品質の写真における円形エリアは、選択された条件で試験が進行して、各材料対にとって典型的な本体及び対抗体の接触エリアの領域の変形のみが特徴となる場合の、変形エリアを示す。したがって、この変形は必ずしも、100Cr6球の場合には存在していたような摩耗キャップとはならない。再びであるが、この証拠は、当初半径を与えて球の平坦化を示すnanofocus社による表面走査によって与えられる。乾燥SRV試験に対する顕著な結果が、酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層の層対が利用可能な本体及び対抗体により与えられる。 Aluminum oxide vs. antibody wear is shown in FIG. The wear on the anti-antibody is clearly less for both layer systems than on the 100Cr6 anti-antibody case. For A1 (upper left), the anti-antibody shows a contact surface with many scratches. Subsequent measurements of the roundness of the anti-antibody (bottom left) confirm that the surface of the aluminum oxide anti-antibody is rough. Otherwise, no significant change in sphere radius would be observed. It can be assumed that this material pair causes fractures leading to such rough surfaces. The background to these outbreaks has not yet been clarified. There is no observed anti-antibody wear for D2 (right column). This is a surprising result for unlubricated tribology systems operating under high contact pressures. The circular areas in the modified surface quality photographs for A1 and D2 are tested under selected conditions and are characterized only by deformation of the region of the body and anti-antibody contact areas typical for each material pair. The deformation area of the case is shown. Therefore, this deformation does not necessarily result in the wear cap that was present in the case of 100Cr6 spheres. Again, this evidence is provided by a surface scan by nanofocus, which initially gives a radius and indicates flattening of the sphere. Significant results for the dry SRV test are provided by the body and anti-antibody available layer pairs of layers based on chromium oxide and aluminum oxide.
潤滑剤によるSRV試験の結果が以下に提示される。異なる摩擦係数につながる様々な潤滑剤による試験が行われた。しかしながら、摩耗の点では、これらの差異は小さいか又は区別不能である。通常、接触エリアの異なる色付けが可視とされる。調べることにより、これが主に、油における異なる添加剤に起因することが示された。添加剤の処置は本発明の主題ではないので、これらの差異を詳細に扱うことはしない。 The results of the SRV test with lubricant are presented below. Tests were conducted with various lubricants leading to different coefficients of friction. However, in terms of wear, these differences are small or indistinguishable. Usually, different coloring of the contact area is visible. Examination has shown that this is primarily due to the different additives in the oil. Since the treatment of additives is not the subject of the present invention, these differences will not be addressed in detail.
図9は、A1(1)及びD2(2)に対する経時的な摩擦係数を示す。これは、潤滑剤としてのディーゼル油(ここでは油1と称する)、及び対抗体としての鋼球により測定された。A1が、ならし運転において0.20の摩擦係数を有する一方、D2の当該摩擦係数は0.18である。乾燥試験と比べての摩擦係数の相対的な差異は小さくなった。すなわち、潤滑条件下での材料の影響は目立たなくなった。コーティングの表面品質もまた大きく影響する。すなわち、熱溶射プロセスの結果A1に現れた表面の孔又は多孔構造が、潤滑剤を表面に保持するのに適切となり、ひいてはトライボロジーシステムを特に、不十分な潤滑の場合に安全にする。概要において、これはまた、C2とD2とを比較するとわかる。研磨されていない層C2が研磨されたものよりも低い摩擦係数を有するからである。表3は、潤滑SRV試験に対するすべての摩擦係数を、対抗体としての鋼と一緒に示す。 FIG. 9 shows the coefficient of friction over time for A1 (1) and D2 (2). This was measured with diesel oil as a lubricant (referred to here as oil 1) and steel balls as an anti-antibody. A1 has a coefficient of friction of 0.20 in the break-in operation, while D2 has a coefficient of friction of 0.18. The relative difference in the coefficient of friction compared to the drying test was smaller. That is, the effect of the material under lubrication conditions became less noticeable. The surface quality of the coating also has a significant effect. That is, the surface pores or porous structures that appear in A1 as a result of the thermal spraying process are suitable for retaining the lubricant on the surface, thus making the tribology system safe, especially in the case of inadequate lubrication. In summary, this can also be seen by comparing C2 and D2. This is because the unpolished layer C2 has a lower coefficient of friction than the polished one. Table 3 shows all the coefficients of friction for the lubrication SRV test, along with steel as a counter-antibody.
これらの試験条件下で得られた層摩耗が図10に示される。A1は、2の値という低い層摩耗を示し、それ以外は接触エリアにおいて滑らかにする効果を示す。D2に対しては層摩耗が測定されない(値1)。ここでもまた、測定された表面プロファイルにおいて明確に実証されてはいないが、滑らかにすることが生じ得る。層摩耗に対する他の値が再び、表3に与えられる。層A1、B1及びC1に対して低摩耗だけが測定される一方、酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づくすべての層は摩耗を示さない。 The layer wear obtained under these test conditions is shown in FIG. A1 shows a low layer wear of a value of 2, and otherwise shows a smoothing effect in the contact area. Layer wear is not measured for D2 (value 1). Again, although not clearly demonstrated in the measured surface profile, smoothing can occur. Other values for layer wear are again given in Table 3. Only low wear is measured for layers A1, B1 and C1, while all layers based on chromium oxide and aluminum oxide show no wear.
潤滑剤油1による鋼対抗体の摩耗が図11に示される。双方の構成に対して表面変色が見られる。A1の場合に100Cr6球の表面プロファイルは、わずかな摩耗(値1〜2)を示す。すなわち、表面変色は接触表面の弾性変形単独により引き起こされ、その変色は、油の中の添加剤又はその分解生成物から主に生じる薄膜により引き起こされる。D2に対し、接触表面の変色のサイズはA1のものと同様であるが、100Cr6球の表面プロファイルは値2を有する低摩耗を示す。鋼の本体は、層E1及びC2により、さらに顕著な摩耗を受ける。酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づくすべての層は、20GPaを超える非常に高い微小硬さを有し(ISO14577規格により測定)、これらの層が対抗体としての鋼とともに使用される場合、それに従って表面品質を選択することが重要となる。
The wear of the steel vs. antibody due to the
酸化アルミニウム対抗体によるSRV試験の結果には、大いに興味が引かれる。D2に対する2つのトライボパートナーの乾燥条件下では、すでに決定されている摩耗が存在し得ないからである。再びであるが図10は、摩擦係数の時間経過を示す。試験の終了において、A1に対しては0.19の値の結果であり、D2に対しては0.18である。ここでもまた、摩擦係数へのコーティング材料の相対的な影響は、乾燥試験よりも低い。明らかなことに、材料表面、油及び添加剤の相互作用から生じてそれ自体が変色を表す表面の形成は、重要な役割を果たす。B1は最も高い摩擦係数を有する。それ以外では、他のすべての材料に対して0.18の摩擦係数が測定された。これらの試験において、驚くべきことに、摩擦係数は、すでに鋼に対して導入されているA1層及びC1層の場合よりも低い。 The results of the SRV test with aluminum oxide vs. antibody are of great interest. This is because under the drying conditions of the two tribo partners against D2, there can be no wear that has already been determined. Again, FIG. 10 shows the passage of friction coefficient over time. At the end of the test, the result was a value of 0.19 for A1 and 0.18 for D2. Again, the relative effect of the coating material on the coefficient of friction is lower than in the drying test. Obviously, the formation of surfaces that result from the interaction of material surfaces, oils and additives and that themselves exhibit discoloration plays an important role. B1 has the highest coefficient of friction. Otherwise, a coefficient of friction of 0.18 was measured for all other materials. In these tests, the coefficient of friction is surprisingly lower than that of the A1 and C1 layers already introduced for steel.
図13は層摩耗を示す。これは、A1に対して非常に低く(値2)、むしろ滑らかにする効果のみを示す。これは、特に、層が多くの孔を包含するバックグラウンドに対し、良好な挙動である。これはひいては、こうした表面の幾何学形状が、良好なトライボロジー特性に寄与すること、すなわち潤滑剤が層の凹部に保持されて摩擦損失を低減すること、を示す。D2に対しては層摩耗が測定できない(値1)。層は安定している。ただし、ここでも所定の滑らかにする効果が疑われる。高摩耗を示すのはB1(値5)及びさらにはC1(値4)である。詳しくは、層B1は、本体及び対抗体を協調させることがどれほど重要であるかを示す。B1は鋼に対しては最も低い摩擦係数を示し、酸化アルミニウムに対しては最も高い摩擦係数を示すからである。 FIG. 13 shows layer wear. This is very low relative to A1 (value 2), but rather shows only a smoothing effect. This is particularly good behavior for backgrounds where the layer contains many holes. This in turn indicates that these surface geometries contribute to good tribological properties, that is, the lubricant is retained in the recesses of the layer to reduce friction loss. Layer wear cannot be measured for D2 (value 1). The layer is stable. However, the effect of smoothing is suspected here as well. It is B1 (value 5) and further C1 (value 4) that show high wear. Specifically, layer B1 shows how important it is to coordinate the body and anti-antibody. This is because B1 has the lowest coefficient of friction for steel and the highest coefficient of friction for aluminum oxide.
図14は、酸化アルミニウム対抗体の摩耗を特徴付ける。A1又はD2のいずれも、球の摩耗を示さない(双方とも値1)。表面プロファイルにおいて測定された表面エリアの粗さは、材料の所与の多孔度に対して特徴的である。スクラッチは、試験中に層表面と対抗体との間に生じる材料のわずかな噴出により引き起こされ、実際のエンジン試験とは対照的に、我々の試験設定中に油とともに移送されて離れるということがない。 FIG. 14 characterizes the wear of aluminum oxide vs. antibody. Neither A1 nor D2 show wear of the sphere (both have a value of 1). The roughness of the surface area measured in the surface profile is characteristic for a given porosity of the material. Scratches are caused by a small ejection of material between the layer surface and the anti-antibody during the test, which, in contrast to the actual engine test, can be transferred away with the oil during our test setup. Absent.
表2及び3は、異なる試験条件に対する2つの対抗体材料に関して試験された層材料の結果をまとめる。定量的な見積もりが、前述の文で例示された測定から得られた。これらの調査に基づき、これまでのSRV試験の結果が、以下のようにまとめられる。 Tables 2 and 3 summarize the results of the layer materials tested for the two counter-antibody materials against different test conditions. Quantitative estimates were obtained from the measurements exemplified in the above sentence. Based on these surveys, the results of the SRV tests so far are summarized as follows.
SRV:対抗体としての100Cr6による乾燥
・すべての試験に対し、100Cr6鋼対抗体のかなりの摩耗が存在する。
・試験は、0.8付近の範囲の摩擦係数において安定する。これは、対抗体の材料が各層に対して潤滑であり(移動され)、ひいては鋼・鋼接触をもたらすという事実に起因する。したがって、ここで調べられたすべての層に対し、対抗体の明らかかつ高い摩耗が観察される。
SRV: Drying with 100Cr6 as anti-antibody-There is considerable wear of 100Cr6 steel anti-antibody for all tests.
-The test is stable at a coefficient of friction in the range around 0.8. This is a lubricating material pair antibodies for each layer (moved) due to the fact that eventually results in a steel-steel contact. Therefore, a clear and high wear of the anti-antibody is observed for all layers examined here.
SRV:対抗体としての酸化アルミニウムによる乾燥
・層A1、B1及びC1は層摩耗を示すが、この摩耗は、ここで選択される層に対し、表に含まれなかった他の一般的な材料よりも低い。
・調査された酸化物層は、2つのグループに分けられる。高い表面粗さ(E1)のグループは、0.8近辺の摩擦係数を有し、摩擦係数の時間経過において強いノイズを示す。第2グループ(D1、C2、D2)は、0.6近辺の摩擦係数を有し、ひいては他の層からはっきりと目立つ。このグループの層は、0.4μm未満のRaという表面粗さを有する。
・滑らかにする効果とは別に、Cr及びAl−Crに基づくすべての酸化物層(D1、C2、D2)は層摩耗を示さない。
SRV: Drying with Aluminum Oxide as Anti-Anti-Anti-Aluminum Layers A1, B1 and C1 show layer wear, which is more than other common materials not included in the table for the layer selected here. Is also low.
-The oxide layers investigated are divided into two groups. The group with high surface roughness (E1) has a coefficient of friction around 0.8 and shows strong noise over time of the coefficient of friction. The second group (D1, C2, D2) has a coefficient of friction around 0.6, which in turn stands out from the other layers. The layers in this group have a surface roughness of Ra less than 0.4 μm.
-Apart from the smoothing effect, all oxide layers (D1, C2, D2) based on Cr and Al—Cr show no layer wear.
SRV:対抗体としての100Cr6による潤滑
・調べられたすべての層の摩擦係数は、0.2未満の値を示し、B1及びD1が最低であった。
・酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づかない層(A1、B1、C1)は、値2という低い摩耗を示す。
・酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層(D1、C2、D2)において、層摩耗を検出することができない。
・E1及びC2、すなわち表面粗さが大きな硬い酸化物層を例外として、すべての他の層材料が、1〜2又は2という小さな対抗体摩耗値を有する。潤滑条件下の及び対抗体としての100Cr6による層の表面粗さは明らかに、重要な役割を果たし、かかる材料対が実現される場合、ならし挙動を最適化する必要があり、層粗さRaを0.2μm未満にする必要がある。
SRV: The coefficient of friction of all layers lubricated and examined with 100Cr6 as a counter-antibody showed a value of less than 0.2, with B1 and D1 being the lowest.
-Chromium oxide and non-chromium aluminum oxide layers (A1, B1, C1) show a low wear value of 2.
-Layer wear cannot be detected in the layers (D1, C2, D2) based on chromium oxide and chromium aluminum oxide.
All other layer materials have a small anti-antibody wear value of 1-2 or 2, with the exception of E1 and C2, the hard oxide layers with large surface roughness. The surface roughness of the layer under lubrication conditions and with 100Cr6 as an anti-antibody clearly plays an important role, and if such a material pair is realized, the break-in behavior needs to be optimized, and the layer roughness Ra Should be less than 0.2 μm.
SRV:対抗体としての酸化アルミニウムによる潤滑
・摩擦係数は、B1(0.21)を除いてすべてが0.18から0.20の範囲にある。
・層摩耗はB1の場合に非常に高く、C1及びE1の場合に中くらいであり、A1では低い。酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層D1、C2及びD2の場合、層摩耗を観察することができる。
・試験により、ほとんどの層に対し対抗体のわずかな摩耗が生成されるが、A1、D1及びD2に対しては摩耗が存在しない。
SRV: The coefficient of lubrication / friction with aluminum oxide as an antibody is in the range of 0.18 to 0.20 except for B1 (0.21).
-Layer wear is very high for B1, moderate for C1 and E1, and low for A1. In the case of layers D1, C2 and D2 based on chromium oxide and chromium oxide, layer wear can be observed.
-Tests produce slight wear on the anti-antibody for most layers, but no wear on A1, D1 and D2.
最終的に、試験はまた、高温でも行われる。これを目的として、異なる、ある程度は温度安定性の油2が使用された。この油の使用によっては、室温でのこれまでのSRV試験の知見とは原則的に何も変わらなかった。油2は、わずかに異なる摩擦係数を与えたが、コーティング及び対抗体の摩耗挙動に対し、他の定量的な結果は何も与えなかった。
Ultimately, the test is also performed at high temperatures. For this purpose, a different, somewhat temperature-
これは、このことがすべての他の油にも当てはまるという意味ではない。他の添加剤単独での使用により、摩擦係数の劇的な変化をもたらすことができる。しかしながら、これは、これらの調査の内容ではないので、詳細に説明することはしない。高温でのSRV試験のために使用される油2は、160℃の温度までの試験に対して安定であった。
This does not mean that this also applies to all other oils. The use of other additives alone can result in dramatic changes in the coefficient of friction. However, this is not the content of these studies and will not be explained in detail. The
表4は、室温(RT)、100℃及び160℃で試験された試験層を示す。表は試験層のわずかな選択のみを示し、主に、本発明の主題となる層材料に集中する。 Table 4 shows the test layers tested at room temperature (RT), 100 ° C and 160 ° C. The table shows only a few selections of test layers and focuses primarily on the layering materials that are the subject of the present invention.
再びであるが、すでに上述したように、摩擦係数の時間経過、層摩耗、及び対抗体の摩耗が、これらの層及び対抗体に対して試験された。以下において、この手順が、一例を使用して再び実証されるが、今回は光学顕微鏡画像はなく、表面プロファイルのみが示される。摩擦係数の決定、並びに層摩耗及び対抗体摩耗の定量評価が、すでに上述された評価と同様に行われた。 Again, as already mentioned above, the time course of the coefficient of friction, layer wear, and anti-antibody wear were tested against these layers and anti-antibody. In the following, this procedure will be demonstrated again using an example, but this time there is no light microscopy image and only the surface profile is shown. The coefficient of friction was determined and the layer wear and anti-antibody wear were quantitatively evaluated in the same manner as described above.
図15a〜15cは、対抗体としての酸化アルミニウムを有するコーティングシステムA1、D1及びD2に対する、潤滑(油2)SRV試験のための摩擦係数の時間経過を示す。室温における異なるコーティング材料の比較により、A1及びD1並びにD2間の明確な差異が明らかになる。これらは高温で減少するが、消滅するわけではない。すべての温度に対し、層D1及びD2は最も低い摩擦係数を有する。 15a-15c show the time course of the coefficient of friction for the lubrication (oil 2) SRV test on coating systems A1, D1 and D2 with aluminum oxide as counter-antibodies. Comparison of different coating materials at room temperature reveals clear differences between A1 and D1 and D2. These decrease at high temperatures, but do not disappear. For all temperatures, layers D1 and D2 have the lowest coefficient of friction.
図16は、層A1及びD2に対する層摩耗と対抗体摩耗とを比較する。A1が値2という低い層摩耗を有する一方、D2は層摩耗を示さない。加えて、双方の層に対して酸化アルミニウム対抗体の摩耗が存在しない。
FIG. 16 compares layer wear against layers A1 and D2 with anti-antibody wear. A1 has a low layer wear of
まとめると、高温でのSRV試験に対して以下のことがいえる。 In summary, the following can be said for the SRV test at high temperature.
SRV:対抗体としての100Cr6による高温での潤滑
・すべての調査済みの層に対する摩擦係数は、0.2近辺の値を示す。室温において、層D1及びD2はそれぞれ、約0.18及び0.16の値を有する。これは、A1のもの(0.20)よりも有意に低い。高温において、これらの差異は次第に消滅するが、酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層は依然として最も低い摩擦係数を有する。
・A1が、すべての温度範囲に対し低い層摩耗を示す一方、酸化物層D1及びD2は層摩耗を示さない。他方、多くの非酸化物層が摩耗を受ける。B1及びC2を例外として、対抗体にはわずかな摩耗のみが存在する。ここで、層の表面粗さ、及び恐らくはトライボシステムのならし挙動もまた、重要な役割を果たす。所定の時間周期の後、対抗体摩耗は、接触表面のサイズにわたって安定する。
SRV: Lubrication at high temperature with 100Cr6 as a counter-antibody-The coefficient of friction for all investigated layers shows a value around 0.2. At room temperature, layers D1 and D2 have values of about 0.18 and 0.16, respectively. This is significantly lower than that of A1 (0.20). At high temperatures, these differences gradually disappear, but layers based on chromium oxide and aluminum oxide still have the lowest coefficient of friction.
-A1 shows low layer wear over the entire temperature range, while oxide layers D1 and D2 show no layer wear. On the other hand, many non-oxide layers are subject to wear. With the exception of B1 and C2, there is only slight wear on the anti-antibody. Here, the surface roughness of the layer, and perhaps the break-in behavior of the tribo system, also plays an important role. After a predetermined time cycle, anti-antibody wear stabilizes over the size of the contact surface.
SRV:対抗体としての酸化アルミニウムによる高温での潤滑
・室温における摩擦係数はわずかに低く、高温に対してはわずかな増加を示す。しかしながら、0.2近辺となるすべての場合において、酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層D1及びD2は、A1の場合よりも低い。
・低い層摩耗は、A1の場合、すべての温度において生じ、大きな摩耗はB1の場合に生じる。酸化クロム及び酸化アルミニウムクロムに基づく層は摩耗を有しない。
・すべての層に対し、測定できる対抗体の摩耗が存在しない。
SRV: Lubrication at high temperature by aluminum oxide as an anti-antibody ・ The coefficient of friction at room temperature is slightly low and shows a slight increase with respect to high temperature. However, in all cases around 0.2, the layers D1 and D2 based on chromium oxide and chromium oxide are lower than in the case of A1.
-Low layer wear occurs at all temperatures for A1 and large wear occurs for B1. Layers based on chromium oxide and aluminum oxide have no wear.
-There is no measurable anti-antibody wear on all layers.
一緒になってトライボロジー接触を形成する本体105、107及び対抗体103、111を有するトライボロジーシステム1又は2が記載されてきた。本体105、107の表面108が、少なくとも接触領域において第1コーティング12によりコーティングされ、対抗体103、111の表面112が、少なくとも接触領域において第2コーティング11によりコーティングされ、特徴とされるのは、第1及び第2コーティング12、11の少なくとも一方が、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層であることである。
トライボロジーシステム1又は2において、他方の層11、12は、Mo、MoN、MoCuN、DLC又はta−Cに基づく層を含み得る。
In the
トライボロジーシステム1又は2において、第1及び第2コーティング12、11双方が、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層を含み得る。
In the
コーティング12、11の少なくとも一方、好ましくはコーティング12、11の双方が(Al−xCr−y)2O3の化学組成を有し得る。ここで、0.1≦x≦1かつy≦0である。
At least one of the
これらのコーティング12、11の少なくとも一つ、好ましくはコーティング12、11の双方が、18GPa以上の硬さを有し得る。
At least one of these
トライボロジーシステムは、ガソリン、ディーゼル又はガスの燃焼のために設計されるのが好ましい内燃エンジン100の一部となり得る。
The tribology system can be part of an
例えば、本体をピストンリング103とし、対抗体を、例えばシリンダランニング表面108とすることができる。好ましくは、内燃エンジン100の他の表面は、酸化クロム又は酸化アルミニウムクロムに基づく層によりコーティングされ、特にシリンダリング溝104、ピストンスカート(ピストンコネクタ111)、ピストンコネクタ摺動路113、及び/又はピストンクラウン109が好ましい。
For example, the main body can be a
Claims (12)
それぞれがピストン(102)、ピストンリング(103)又はシリンダ(101,107)を含む内燃エンジン(100)のコンポーネントを形成する第1本体(102;105)及び第2本体(101;107)を含み、
前記第1本体(102;103)及び第2本体(101;107)の表面(112,108,113)は、動作中に少なくともいくつかの領域で互いに接触するようになってトライボロジー接触を形成する第1材料エリア及び第2材料エリア(11,12)を有し、
前記第1材料エリア及び前記第2材料エリア(11,12)の一方が酸化クロムに基づく層として形成され、
前記第1材料エリア及び前記第2材料エリア(11,12)の他方が酸化アルミニウムクロムに基づく層として形成される、トライボロジーシステム(1;2)。 Tribology system (1; 2)
The; (107 101); each Gapi piston (102), the piston ring (103) or the cylinder first body forming a component of an internal combustion engine (100) comprising (101, 107) (102 105) and the second body Including
The surfaces (112, 108, 113) of the first body (102; 103 ) and the second body (101; 107) come into contact with each other in at least some regions during operation to form a tribological contact. It has a first material area and a second material area (11, 12).
One of said first material area及beauty before Symbol second material area (11, 12) is formed as a layer based on chromium oxide,
A tribology system (1; 2) in which the other of the first material area and the second material area (11, 12) is formed as a layer based on aluminum oxide chromium.
ここで、0.1≦x≦1かつy≦0.5、0.5≦x≦1かつy≦0.5、又はx=0.7かつy=0.3である、請求項1又は2に記載のトライボロジーシステム(1;2)。 The first material area (11) in the first body formed as the piston ring (103) is a layer based on aluminum oxide chromium having a chemical composition of (All-xCr-y) 2O3.
Here, claim 1 or claim 1, wherein 0.1 ≦ x ≦ 1 and y ≦ 0.5 , 0.5 ≦ x ≦ 1 and y ≦ 0.5, or x = 0.7 and y = 0.3. 2. The tribology system (1; 2) according to 2.
前記第2材料エリアは、0.1≦Ra≦0.5、0.15≦Ra≦0.45、Ra=0.15又はRa=0.45が当てはまる表面粗さを有する、請求項1から4のいずれか一項に記載のトライボロジーシステム(1;2)。 The first material area (11) has a surface roughness Ra in μm to which 0.1 ≦ Ra ≦ 0.5, 0.15 ≦ Ra ≦ 0.4 , Ra = 0.15 or Ra = 0.4 applies. Have,
From claim 1, the second material area has a surface roughness to which 0.1 ≦ Ra ≦ 0.5, 0.15 ≦ Ra ≦ 0.45 , Ra = 0.15 or Ra = 0.45. The tribology system (1; 2) according to any one of 4.
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